WO2017155142A1 - 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치 - Google Patents

광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치 Download PDF

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WO2017155142A1
WO2017155142A1 PCT/KR2016/002449 KR2016002449W WO2017155142A1 WO 2017155142 A1 WO2017155142 A1 WO 2017155142A1 KR 2016002449 W KR2016002449 W KR 2016002449W WO 2017155142 A1 WO2017155142 A1 WO 2017155142A1
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sensor
torque
plate
upper plate
reflecting
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PCT/KR2016/002449
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French (fr)
Inventor
허필원
구광민
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(주)아이투에이시스템즈
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/12—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/16—Rotary-absorption dynamometers, e.g. of brake type
    • G01L3/22—Rotary-absorption dynamometers, e.g. of brake type electrically or magnetically actuated

Definitions

  • the present invention relates to a torque sensor using an optical sensor and a torque measuring device including the same, and more particularly, to accurately calculate the torque by measuring the amount of deformation of an elastic body caused by torque using the optical sensor.
  • the present invention relates to a torque sensor using an optical sensor and a torque measuring device including the same.
  • torque measuring devices have used electronic strain gauges and mechanical strain gauges.
  • the electronic strain gauge attaches a strain gauge to an object for measuring torque, and applies an external force, and when the structure of the object is partially deformed by the result of the external force, the strain gauge attached to the object is also deformed. At this time, as the resistance value of the strain gauge is changed, the torque value of the target object is measured through the changed resistance value.
  • the object to which the torque value is measured is mounted on the shaft, and the strain of the object is measured by mechanically measuring the amount of rotational deformation by the torque applied to the shaft.
  • the strain gauge type torque sensor enables precise measurement of the torque acting on the rotating body, but since the torque acts directly on the strain gauge, the strain gauge causes problems such as weakening of durability due to repeated deformation of the strain gauge.
  • the strain gauge may be destroyed when an external force torque exceeding the measurement range is required, so a separate stopper design is required, and thus the overall design structure is complicated.
  • Patent Document 0001 Korean Registered Patent [10-0783912] (Registration Date: 2007. 12. 03)
  • Patent Document 0002 Korean Registered Patent [10-1250592] (Registration Date: March 28, 2013)
  • Patent Document 0003 Korean Registered Patent [10-1255665] (Registration Date: April 17, 2013)
  • Patent Document 0005 Korean Patent Publication [10-2009-0087589] (Publishing date: August 18, 2009)
  • the present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, the torque sensor using an optical sensor to accurately measure the torque generated during the rotational movement of the rotating body using the optical sensor and the same
  • An object of the present invention is to provide a torque measuring device including the same.
  • An object of the present invention is to provide a method for adjusting the initial output value by adjusting the position of the reflector using a means such as a fine adjustment screw for adjusting the initial output value of the torque sensor.
  • the upper plate is formed on the bottom, coupled to the input rotated by an external force, the upper plate capable of torsionally elastic deformation with respect to the lower plate
  • a first sensor plate disposed in the circumferential direction of the first sensor plate, and a first sensor unit coupled to the lower plate to generate an electrical signal corresponding to the distance to the first reflecting plate.
  • Torque measuring device using an optical sensor using an optical sensor is coupled to the lower plate formed in the lower portion, the input rotated by an external force, and twisted with respect to the lower plate
  • the upper plate is elastically deformable, integrally formed between the upper plate and the lower plate, the deformable portion capable of torsionally elastic deformation by the torque transmitted through the upper plate, coupled to the upper plate and protrudes vertically from the lower surface of the upper plate
  • a first sensor plate having a vertical axis disposed in the circumferential direction of the upper plate, a first sensor unit coupled to the lower plate to generate an electrical signal corresponding to a distance from the first reflecting plate, and attaching the first reflecting plate to a lower surface of the upper plate Coupled to, but the first adjusting member for adjusting the initial distance between the first reflecting plate and the first sensor unit, and transmitted from the first sensor unit It is characterized in that it comprises a conversion that converts the electric signal to the torque information.
  • Torque sensor using the optical sensor proposed in the present invention and the torque measuring device including the same, by using the optical sensor to accurately measure the torque generated during the rotational movement of the rotating body, there is an effect capable of accurate torque measurement.
  • the torque sensor according to the present invention has an effect that can improve the durability by proposing a structure of the sensor unit that can prevent the detachment of the optical sensor.
  • FIG. 1 is a perspective view of a torque sensor using an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a first sensor unit and a first reflector of the torque sensor of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an exploded view of the first sensor unit 105 of the torque sensor of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective view of a torque sensor using an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of the torque sensor using the optical sensor according to the present invention.
  • 6A and 6B are perspective views of a reflector plate connected with the adjusting member.
  • FIG. 7A and 7B are cross-sectional views of a top plate of a torque sensor using an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a torque sensor using an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a torque measuring device including a torque sensor.
  • 10 and 11 are conceptual views illustrating electronic systems in accordance with embodiments of the inventive concept.
  • FIG. 1 is a perspective view of a torque sensor using an optical sensor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view illustrating a first sensor unit and a first reflector of the torque sensor of FIG. 1.
  • the torque sensor using the optical sensor according to the present invention the lower plate 101 is fixed to the bottom, coupled to the external torque input, the torsional elastic deformation is generated by the torque
  • the upper plate 102, the upper plate 102 and the lower plate 101 is integrally formed, the deformable portion 103, the upper portion (10) where the torsional elastic deformation is generated by the torque transmitted through the upper plate (102)
  • a first reflecting plate 104 coupled to the lower surface of the upper plate 102 and protruding in a vertical direction, and a vertical axis of the reflecting surface disposed in the circumferential direction of the upper plate 102, and the first reflecting plate 104.
  • a first sensor unit 105 coupled to the lower plate 101 to generate an electrical signal corresponding to the distance d 1 with the first reflecting plate 104.
  • the upper plate 102 and the lower plate 101 have a disc shape, and the deformable portion 103 is integrally formed therebetween.
  • the upper plate 102, the lower plate 101 and the deformable portion 103 may be formed of an elastic body having a large cylindrical rigidity, and the upper plate 102, the deformable portion 103 and the lower plate 101 may be The integrally formed shape resembles a cylindrical spool or reel shape. Torsional deformation of the upper plate 102 and the deformable portion 103 may occur with respect to the lower plate 101 by a torque input applied from the outside, and the upper plate 102 and the deformable portion 103 may be formed of a material.
  • the distance between the first sensor unit 105 and the first reflecting plate 104 changes constantly according to the torque (rotation force) applied.
  • the range of distance from the first reflecting plate 104 that the first sensor unit 105 can detect is about 50 to 200 ⁇ m.
  • FIG. 3 is an exploded view of the first sensor unit 105 of the torque sensor of FIG. 1.
  • the first sensor unit 105 is formed in a generally rectangular shape that is vertically upward. Therefore, in the state where the first sensor unit 105 is installed on the lower plate 101, the vertical upper portion is in the longitudinal direction having a constant length L.
  • the first sensor unit 105 may include a first sensor protection member 301, a first sensor 302, a first binder (not shown), and a first cover member 303. And a first connection member 304.
  • the first sensor protecting member 301 has a step 306 in the length direction in which the surface facing the first reflecting plate 104 is disposed, and the first reflecting plate is formed at the center of the surface facing the first reflecting plate 104. Grooves are formed by a predetermined depth in the vertical direction of the surface of 104.
  • the first sensor 302 includes a light emitting part 311 and a light receiving part 312, and the first sensor 302 is inserted into the groove of the first sensor protection member 301.
  • the groove of the first sensor protection member 301 is formed larger than the height of the first sensor 302 so that the first reflecting plate 104 contacts the first sensor unit 105 by excessive external force. Even though the first sensor 302 is not in direct contact with the first reflector 104, the first sensor 302 may be protected.
  • the first cover member 303 is attached to a surface having a low step in the state in which the first sensor 302 is coupled to the first sensor protection member 301 to cover a portion of the first sensor 302. At this time, the light emitting part 311 and the light receiving part 312 of the first sensor 302 should be exposed without being covered by the first cover member 303.
  • the first cover member 303 serves to prevent the first sensor 302 from being separated from the first sensor unit 105 according to the repeated use of the torque sensor.
  • the first connection member 304 may be a kind of screw that fastens the first cover member 303 to the first sensor protection member 301.
  • the first sensor protection member 301, the first sensor 302, and the first cover member 303 may be coupled to each other by using the first binder.
  • the first binder may be silicon that stably couples the first sensor 302 to the groove of the first sensor protection member 301.
  • FIG. 4 is a perspective view of a torque sensor using an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the torque sensor using the optical sensor according to the present invention the lower plate 401 is fixed to the bottom, the upper plate 402 coupled to the external torque input and the torsional elastic deformation occurs by the torque
  • the deformable portion 403 is integrally formed between the upper plate 402 and the lower plate 401 and coupled to the upper plate 402 by a torsionally elastic deformation caused by the torque transmitted through the upper plate 402.
  • the second reflecting plate 404 protrudes from the lower surface of the upper plate 402 in the vertical direction, and the vertical axis of the reflecting surface is disposed in the radial direction of the upper plate 402, and the lower plate 401 to be coupled to the second reflecting plate.
  • a second sensor unit 405 for generating an electrical signal corresponding to the area on which 404 is projected.
  • the upper plate 402 and the lower plate 401 have a disc shape, and a cylindrical deformation portion 403 is integrally formed therebetween.
  • the upper plate 402, the lower plate 401, and the deformable portion 403 may be formed of an elastic body having high rigidity, and the upper plate 402, the lower plate 401, and the deformable portion 403 may be integrally formed. It is similar in shape to a cylindrical spool or reel. Torsional deformation of the upper plate 402 and the deformable portion 403 occurs with respect to the lower plate 401 due to a torque input applied from the outside, and the second sensor portion 405 according to the applied torque (rotational force). The area on which the second reflecting plate 404 projected by) changes.
  • the configuration of the second sensor unit 405 is the same as that of the first sensor unit 105, but the direction of attachment to the lower plate 401 is different. Since the detailed configuration of the second sensor unit 405 is the same as that of the first sensor unit 105, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 5 is a plan view of the torque sensor using the optical sensor according to the present invention.
  • the upper plates 102 and 402 are torsionally deformed by external torque with respect to the lower plates 101 and 401, when the external torque is constant, the upper plates 102 and 402 rotate by a predetermined angle from the initial position. Is fixed.
  • the first and second reflecting plates 104 and 404 fixed to the upper plates 102 and 402 also have displacements having the same size as the positions fixed to the upper plates 102 and 402, the first and second reflecting plates ( 104 and 404 are also fixed by rotating by an angle from the initial position.
  • the first sensor unit 105 since the vertical axis of the first sensor unit 105 and the first reflecting plate 104 is disposed in the circumferential direction of the upper plate 102, the first reflecting plate 104 The rotational displacement of changes the distance d 1 between the first sensor unit 105 and the first reflecting plate 104. Accordingly, the first sensor unit 105 detects the distance d 1 from the first reflecting plate 104, and the output from the first sensor unit 105 is equal to the first sensor unit 105. An electrical signal is generated according to the distance d 1 between the first reflecting plates 104.
  • the distance d 1 between the first sensor unit 105 and the first reflecting plate 104 may be calculated, and the distance d 1 ) Can calculate the amount of torque input from the outside. In addition, it is possible to easily calculate the direction of the torque input from the outside from the increase and decrease of the distance (d 1 ).
  • the left and right orders of the first sensor unit 105 and the first reflecting plate 104 and the combination of the upper plate 102 and the lower plate 101 may be changed.
  • the second sensor unit 405 since the vertical axis of the second sensor unit 405 and the second reflecting plate 404 is disposed in the radial direction of the upper plate 402, the second reflecting plate 404 is used.
  • the rotational displacement of changes the projected area of the second sensor unit 405 and the second reflector plate 404. Therefore, the second sensor unit 405 detects the projected area with the second reflector plate 404, and the output from the second sensor unit 405 is the second sensor unit 405 and the second.
  • An electrical signal is generated which is proportional to the projected area of the reflecting plate 404.
  • the projected area of the second sensor unit 405 and the second reflector 404 may be calculated, and torque input from the outside from the projected area. You can calculate the size of.
  • the left and right orders of the second sensor unit 405 and the second reflecting plate 404 and the combination of the upper plate 402 and the lower plate 401 may be changed.
  • the direction of torque cannot be determined only by the electrical signal output from the second sensor unit 405. This is because when the second reflector 404 rotates by the same magnitude in the clockwise or counterclockwise direction, the second sensor unit 405 generates the same electrical signal.
  • the second reflecting plate 404 is divided into two regions in a direction orthogonal to the circumferential direction of the upper plate 402, and one region 602 is a white reflecting plate reflecting almost all incident light.
  • the other region 601 may be formed of a black reflector that absorbs almost all incident light.
  • 6A and 6B are detailed perspective views of the reflector plate connected with the adjustment member.
  • the present invention further includes a first adjusting member 610 and a second adjusting member 620.
  • the first reflecting plate 104 is coupled to the lower surface of the upper plate 102, the initial distance between the first reflecting plate 104 and the first sensor unit 105 It may further include a first adjusting member 610 to adjust.
  • the first adjusting member 610 slides the body 611 to which the first reflecting plate 104 is attached and the body 611 to which the first reflecting plate 104 is attached in the circumferential direction, thereby providing a first sensor unit 105.
  • the first guide 612 to adjust the distance to the).
  • the method of moving and fixing between the first guide 612 and the body 611 may be applied in various ways, but in one embodiment according to the present invention, the first guide 612 of the shaft is formed on the outer surface of the shaft It is provided in a shape, the body 611 is provided with a through hole 613 having a thread corresponding to the thread of the first guide 612, the first guide 612 is the through hole 613 When the first guide 612 is rotated by being coupled through the body, the body 611 moves in parallel as much as the lead of the thread formed in the first guide 612.
  • the means for rotating the first guide 612 may include means such as a conventional rotary dial (not shown).
  • the second reflecting plate 404 is coupled to the lower surface of the upper plate 402, the second reflecting plate 404 and the second sensor unit 405 It may further include a second control member 620 for adjusting the initial area.
  • the second adjusting member 620 makes the second reflecting plate 404 the upper plate 402. ) Is coupled to the bottom surface of the panel, and adjusts an initial area of the white reflector to be projected on the second sensor unit 405.
  • the second adjusting member 620 adjusts the positions of the body 621 to which the second reflecting plate 404 is attached and the body 621 to which the second reflecting plate 404 is attached to adjust the position of the second reflecting plate 404. And a second guide 622 for adjusting an initial area projected on the second sensor unit 405.
  • the initial state (initial value) of the reflector plates 104 and 404 and the sensor units 105 and 405 may be adjusted through the adjustment members 610 and 620.
  • every sensor has different operating ranges and characteristics. For example, when it is necessary to operate in an operation section having a linear characteristic of a specific sensor, an initial value for operating the specific sensor may be set by adjusting the adjusting members 610 and 620.
  • FIG. 7A and 7B are cross-sectional views of a top plate of a torque sensor using an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the torque sensor of the present invention is a method of estimating the magnitude of the torque input from the torsional deformation values of the upper plates 102 and 402 and the deformable portions 103 and 403, and thus the upper plate 102 within the yield stress range of the material.
  • 402 and the deformation amount of the deformable parts 103 and 403 may increase the accuracy of the measurement data.
  • the deformable parts 103 and 403 not only deformation due to torque occurs but also various types of external forces must be supported, so tensile strength, compressive strength, and buckling strength must be provided, so that the displacement of the deformable parts 103 and 403 is greatly increased. It is not desirable to do so. Therefore, another embodiment of the present invention has a configuration that increases the torsional displacement by changing the thickness of the top plate.
  • the top plate 701 may have a groove 702 having the same depth and having the same central axis as the top plate. In the portion where the groove 702 is formed, the torsional stiffness is reduced, thereby increasing the amount of torsional strain.
  • the shear stress at the distance r from the center is inversely proportional to the square of the distance r from the center as shown in the following equation.
  • ⁇ is the shear stress
  • r is the distance from the center
  • t is the distance from the center
  • thickness is r
  • T is the input torque
  • ⁇ Y is the shear yield stress
  • r is the distance from the center
  • t is the thickness at r
  • T is the input torque
  • FIG. 8 is a perspective view of a torque sensor using an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • a torque sensor using an optical sensor is coupled to an input device that transmits an external torque and a lower plate 801 fixed to a lower portion, and is torsionally elastic by the torque.
  • Deformation portion 803 which is integrally formed between the upper plate 802, the upper plate 802 and the lower plate 801 where deformation occurs, and the torsionally elastic deformation is generated by the torque transmitted through the upper plate 802.
  • a reflection plate 804 coupled to the upper plate 802 to protrude in a vertical direction from a lower surface of the upper plate 802, and a vertical axis of the reflecting surface disposed in the circumferential direction of the upper plate 802, and the lower plate 801. It is coupled to the sensor unit 805 for generating an electrical signal corresponding to the distance (d1) with respect to the reflecting plate 804.
  • the upper plate 802 is formed with a plurality of holes 806 at the same distance from the center and the same diameter. This weakens the torsional strength of the upper plate 802 to increase the torsional deformation in the upper plate 802. Since the effective area corresponding to the torsion of the plurality of holes 806 formed in the upper plate 802 is reduced by the size of the hole 806, the torsional strength of the upper plate is lowered.
  • the hole 806 is preferably installed at a certain distance from the center, and more preferably, at the center.
  • a plurality of holes (for example, three or more) having a diameter of 0.1R to 0.2R may be provided at a distance (about 0.5R to 0.8R).
  • the upper plate 802 may be provided with a plurality of fan-shaped holes at a distance from the center so that the upper plate 802 may have a wheel shape.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a torque measuring device including a torque sensor.
  • the torque measuring device including the torque sensor further includes a converter 902 for converting the electrical signal output from the torque sensor 901 described above into torque information.
  • the conversion unit 902 may be configured for accurate torque information according to positions of the adjustment members 610 and 620 and electrical signals sensed and output by the sensor units 105, 405, and 805.
  • the lookup table or the lookup table to be corrected in order to output the correct torque information, or the function relation between the sensor output value and the accurate torque information should be stored.
  • another torque sensor according to the present invention is characterized in that for outputting a signal that detects the magnitude of the external force using a plurality of sensors.
  • the torque sensor using a plurality of sensors may include a plurality of first sensor units 105 provided at various positions as necessary, or may include a plurality of second sensor units 405 provided at various positions. have.
  • the first sensor unit 105 measures the distance from the first reflecting plate
  • the second sensor unit 405 measures the area reflected from the reflector
  • the plurality of first sensor units 105 and the plurality of second units are measured. Combining the measured values of the sensor unit 405 can obtain more accurate torque information.
  • correction is performed to output a look-up table for accurate torque information or accurate torque information according to the position of the adjusting member and the sensed and output electrical signal. It should store the function relation between the lookup table or sensor output value and the exact torque information.
  • 10 and 11 are diagrams conceptually illustrating electronic systems 3300 and 3400 according to embodiments of the inventive concepts.
  • an electronic system 3300 may include a body 3310, a display unit 3360, and an external device 3370.
  • the body 3310 may include a micro processor unit 3320, a power supply 3330, a function unit 3340, and / or a display control unit 3350. Can be.
  • the body 3310 may include a system board or mother board having a printed circuit board (PCB) or the like, and / or a case.
  • the microprocessor unit 3320, the power supply 3330, the function unit 3340, and the display control unit 3350 may be mounted or disposed on the top surface or the inside of the body 3310.
  • the display unit 3360 may be disposed on an upper surface of the body 3310 or inside / outside the body 3310.
  • the display unit 3360 may display an image processed by the display control unit 3350.
  • the display unit 3360 may include a liquid crystal display (LCD), active matrix organic light emitting diodes (AMOLED), or various display panels.
  • the display unit 3360 may include a touch screen.
  • the display unit 3360 may have an input / output function.
  • the power supply 3330 may supply a current or a voltage to the microprocessor unit 3320, the function unit 3340, the display control unit 3350, or the like.
  • the power supply 3330 may include a rechargeable battery, a socket for a battery, or a voltage / current converter.
  • the microprocessor unit 3320 may receive a voltage from the power supply 3330 to control the function unit 3340 and the display unit 3360.
  • the microprocessor unit 3320 may include a CPU or an application processor (AP).
  • the functional unit 3340 may perform various functions.
  • the functional unit 3340 may include a touch pad, touch screen, volatile / nonvolatile memory, memory card controller, camera, light, voice and video playback processor, wireless transmit / receive antenna, speaker, microphone, USB port, and various other functions. It may include a unit having a.
  • the microprocessor unit 3320 or the function unit 3340 may receive an output signal of a torque sensor or a torque measuring device according to various embodiments of the present disclosure.
  • an electronic system 3400 includes a microprocessor 3414, a memory system 3412, and a user interface 3418 that perform data communication through a bus 3420. can do.
  • the microprocessor 3414 may include a CPU or an AP.
  • the electronic system 3400 can further include a RAM 3416 in direct communication with the microprocessor 3414.
  • Microprocessor 3414 and / or ram 3416 may be assembled in a single package.
  • User interface 3418 may be used to enter information into or output information from electronic system 3400.
  • the user interface 3418 may be a touch pad, touch screen, keyboard, mouse, scanner, voice detector, cathode ray tube (CRT) monitor, LCD, AMOLED, plasma display panel (PDP), printer, light, or other.
  • CTR cathode ray tube
  • LCD liquid crystal display
  • AMOLED plasma display panel
  • printer light, or other.
  • Various input / output devices may be included.
  • the memory system 3412 may store codes for operating the microprocessor 3414, data processed by the microprocessor 3414, or external input data.
  • the memory system 3412 may include a memory controller, a hard disk, or a solid state drive (SSD).
  • the microprocessor 3414, the RAM 3416, and / or the memory system may receive an output signal of a torque sensor or a torque measuring device according to various embodiments of the present disclosure.

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Abstract

본 발명은, 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광센서를 이용하여 토크로 인하여 발생하는 탄성체의 변형량을 측정하여 해당 토크를 정밀하게 산정할 수 있도록 하는 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치
본 발명은 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광센서를 이용하여 토크로 인하여 발생하는 탄성체의 변형량을 측정하여 해당 토크를 정밀하게 산정할 수 있도록 하는 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 토크값을 측정하는 장치들은 전자식 스트레인 게이지와 기계식 스트레인 게이지를 사용하여 왔다.
상기 전자식 스트레인 게이지는 토크값을 측정하기 위한 대상물에 스트레인 게이지를 부착하여 외력을 가하고, 외력이 가해진 결과에 의하여 대상물의 구조가 일부 변형되면 대상물에 부착된 스트레인 게이지도 변형하게 된다. 이때, 스트레인 게이지의 저항값이 변하게 되면서 변화한 저항값을 통해 대상물의 토크값을 측정하는 방식이다.
상기 전자식 스트레인 게이지의 경우 전류값에 의해 토크값을 측정하기 때문에 온도, 주변환경에 따라 오차가 발생한다. 예시적으로 온도가 너무 높거나 낮은 경우 전류값이 변화하기 때문에 정확하게 대상물의 토크값을 측정하는데 문제가 있었다.
반면, 기계식 스트레인 게이지의 경우 토크값이 측정되는 대상물을 샤프트에 장착하고, 샤프트에 가해지는 토크에 의해 회전 변형량을 기계적으로 측정하여 대상물의 변형률을 측정한다.
그러나, 상기 스트레인 게이지 타입의 토크 센서는 회전체에 작용하는 토크의 정밀측정은 가능하게 하나, 스트레인 게이지에 토크가 직접 작용하기 때문에 그 스트레인 게이지의 반복적인 변형으로 내구성 약화 등의 문제를 초래하는 단점을 가진다. 또한 스트레인 게이지 타입의 경우 측정 범위를 초과하는 외력 토크가 발생시 스트레인 게이지가 파괴될 수 있기 때문에 별도의 멈춤 구조(stopper)설계가 필요하게 되어 전체적인 설계 구조가 복잡하다는 단점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 한국 등록특허 [10-0783912] (등록일자: 2007. 12. 03)
(특허문헌 0002) 한국 등록특허 [10-1250592] (등록일자: 2013. 03. 28)
(특허문헌 0003) 한국 등록특허 [10-1255665] (등록일자: 2013. 04. 17)
(특허문헌 0005) 한국 공개특허 [10-2009-0087589] (공개일자: 2009. 08. 18)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 안출된 것으로, 광센서를 이용하여 회전체의 회전 운동시 발생하는 토크를 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함하는 토크 측정 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
또한. 본 발명은 토크 센서의 초기 출력값 조절을 위해 미세조정 나사 등의 수단을 이용해 반사판의 위치를 조절하여 초기 출력값을 조절하는 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서는, 하부에 형성된 하판, 외력에 의해 회전하는 입력에 결합되며, 상기 하판에 대하여 비틀림 탄성 변형이 가능한 상판, 상기 상판과 상기 하판 사이에 일체로 형성되며, 상기 상판을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 가능한 변형부, 상기 상판에 결합되어 상기 상판의 하면에서 수직 방향으로 돌출되고, 수직축이 상기 상판의 원주 방향으로 배치되는 제1 반사판, 및 상기 하판에 결합되어 상기 제1 반사판과의 거리에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제1 센서부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 이용한 광센서를 이용한 토크 측정 장치는, 하부에 형성된 하판, 외력에 의해 회전하는 입력에 결합되며, 상기 하판에 대하여 비틀림 탄성 변형이 가능한 상판, 상기 상판과 상기 하판 사이에 일체로 형성되며, 상기 상판을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 가능한 변형부, 상기 상판에 결합되어 상기 상판의 하면에서 수직 방향으로 돌출되고, 수직축이 상기 상판의 원주방향으로 배치되는 제1 반사판, 상기 하판에 결합되어 상기 제1 반사판과의 거리에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제1 센서부, 상기 제1 반사판을 상기 상판의 하면에 결합시키되, 상기 제1 반사판과 상기 제1 센서부와의 초기 거리를 조절하는 제1 조절부재, 및 상기 제1 센서부로부터 전달받은 상기 전기 신호를 토크 정보로 변환시켜주는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안한 광센서를 이용한 토크 센서 및 이를 포함한 토크 측정 장치는, 광센서를 이용하여 회전체의 회전 운동시 발생하는 토크를 정밀하게 측정할 수 있도록 함으로써, 정확한 토크 측정이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 토크 센서는 광센서의 탈착을 방지할 수 있는 센서부의 구조를 제안함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 사시도.
도 2는 도 1에 기재된 토크센서의 제1 센서부 및 제1 반사판을 도시한 도면.
도 3은 도 1에 기재된 토크센서의 제1 센서부(105)의 분해도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 평면도.
도 6a 및 6b는 조절부재와 연결된 반사판의 사시도.
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 상판의 단면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크센서의 사시도.
도 9는 토크 센서를 포함하는 토크 측정 장치의 구성도.
도 10 및 11은 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 의한 전자 시스템들을 개념적으로 도시한 구성도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 사시도이고, 도 2는 도 1에 기재된 토크센서의 제1 센서부 및 제1 반사판을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광센서를 이용한 토크 센서는, 하부가 고정된 하판(101), 외부의 토크 입력에 결합되며, 상기 토크에 의하여 비틀림 탄성 변형이 발생하는 상판(102), 상기 상판(102)과 상기 하판(101) 사이에 일체로 형성되며, 상기 상판(102)을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 발생하는 변형부(103), 상기 상판(102)에 결합되어 상기 상판(102)의 하면에 수직 방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판(102)의 원주방향으로 배치되는 제1 반사판(104), 및 상기 제1 반사판(104)과 평행하게 상기 하판(101)에 결합되어 상기 제1 반사판(104)과의 거리(d1)에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제1 센서부(105)를 포함한다.
상기 상판(102) 및 하판(101)은 원판 형상이며, 그 사이에 상기 변형부(103)가 일체로 형성되어 있다. 상기 상판(102), 상기 하판(101) 및 상기 변형부(103)는 원기둥 형상의 강성이 큰 탄성체로 이루어질 수 있으며, 상기 상판(102)과 상기 변형부(103)와 상기 하판(101)이 일체로 형성된 모양은 원기둥형 실패(spool) 또는 릴(reel) 모양과 유사하다. 외부로부터 인가되는 토크 입력에 의해 상기 상판(102) 및 상기 변형부(103)는 상기 하판(101)에 대하여 비틀림변형이 발생하게 되며, 상기 상판(102) 및 상기 변형부(103)의 재질의 탄성구간 이내에서는 가해지는 토크(회전력)에 따라 상기 제1 센서부(105)와 상기 제1 반사판(104)의 거리가 일정하게 변하게 된다. 통상적으로 상기 제1 센서부(105)가 감지할 수 있는 상기 제1 반사판(104)과의 거리 범위는 50 ~ 200μm 정도 수준이다.
도 3은 도 1에 기재된 토크센서의 제1 센서부(105)의 분해도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 제1 센서부(105)는 전체적으로는 연직 상방으로 길쭉한 직사각형의 형상으로 형성된다. 따라서, 제1 센서부(105)가 상기 하판(101)에 설치된 상태에서 연직 상방은 일정한 길이(L)를 갖는 길이방향이 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 센서부(105)는, 제1 센서보호부재(301), 제1 센서(302), 제1 결합제(미도시됨), 제1 덮개부재(303) 및 제1 연결부재(304)를 포함한다.
상기 제1 센서보호부재(301)는 상기 제1 반사판(104)과 마주하는 면이 길이 방향으로 단차(306)를 가지며, 상기 제1 반사판(104)과 마주하는 면의 중앙부에는 상기 제1 반사판(104)의 면의 수직방향으로 일정 깊이만큼 홈이 형성되어 있다.
상기 제1 센서(302)는 발광부(311) 및 수광부(312)를 구비하며, 상기 제1 센서(302)는 상기 제1 센서보호부재(301)의 홈에 삽입되어 배치된다. 상기 제1 센서(302)의 높이보다 상기 제1 센서보호부재(301)의 홈이 더 크게 형성되어, 과도한 외력에 의하여 상기 제1 반사판(104)이 상기 제1 센서부(105)와 접촉하게 되더라도 상기 제1 센서(302)는 상기 제1 반사판(104)과 직접 접촉하지 않게 되어 상기 제1 센서(302)를 보호할 수 있게 된다.
상기 제1 덮개부재(303)는 상기 제1 센서(302)가 상기 제1 센서보호부재(301)에 결합된 상태에서 단차가 낮은 면에 부착되어 상기 제1 센서(302)의 일부를 덮는다. 이 때, 상기 제1 센서(302)의 발광부(311) 및 수광부(312)는 상기 제1 덮개부재(303)에 의해 덮히지 않고 노출되어 있어야 한다. 상기 제1 덮개부재(303)는 토크 센서의 반복적 사용에 따라 상기 제1 센서부(105)로부터 상기 제1 센서(302)가 분리되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 제1 연결부재(304)는 상기 제1 덮개부재(303)를 상기 제1 센서보호부재(301)와 체결하는 일종의 나사일 수 있다.
한편, 상기 제1 결합제를 이용하여 상기 제1 센서보호부재(301), 제1 센서(302), 제1 덮개부재(303)는 서로 결합될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 결합제는 상기 제1 센서(302)를 상기 제1 센서보호부재(301)의 홈에 안정적으로 결합시키는 실리콘이 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광센서를 이용한 토크 센서는, 하부가 고정된 하판(401), 외부의 토크 입력에 결합되며 상기 토크에 의하여 비틀림 탄성 변형이 발생하는 상판(402), 상기 상판(402)과 상기 하판(401) 사이에 일체로 형성되며 상기 상판(402)을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 발생하는 변형부(403), 상기 상판(402)에 결합되어 상기 상판(402)의 하면에서 수직 방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판(402)의 반경 방향으로 배치되는 제2 반사판(404), 및 상기 하판(401)에 결합되어 상기 제2 반사판(404)이 투영되는 면적에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제2 센서부(405)를 포함한다.
상기 상판(402) 및 하판(401)은 원판 형상이며, 그 사이에 실린더 형상의 변형부(403)가 일체로 형성되어 있다. 상기 상판(402), 상기 하판(401) 및 상기 변형부(403)는 강성이 큰 탄성체로 이루어질 수 있으며, 상기 상판(402)과 하판(401)과 변형부(403)가 일체로 형성된 모양은 원기둥형 실패(spool) 또는 릴(reel) 모양과 유사하다. 외부로부터 인가되는 토크 입력에 의해 상기 상판(402) 및 상기 변형부(403)는 상기 하판(401)에 대하여 비틀림 변형이 발생하게 되며, 가해지는 토크(회전력)에 따라 상기 제2 센서부(405)가 감지하는 상기 제2 반사판(404)이 투영되는 면적이 변하게 된다.
상기 제2 센서부(405)의 구성은 상기 제1 센서부(105)와 동일하나, 상기 하판(401)에 부착되는 방향이 다르다. 상기 제2 센서부(405)의 상세 구성은 상기 제1 센서부(105)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 평면도이다.
도 5에서는 상기 제1 센서부(105)와 상기 제2 센서부(405)가 배치되는 방향에 따라 상기 제1, 2 센서부(105, 405)가 측정하는 방식의 차이를 설명하고자 한다.
상기 상판(102, 402)는 상기 하판(101, 401)에 대하여 외부의 토크에 의하여 비틀림 변형이 발생하므로 외부의 토크가 일정할 경우 상기 상판(102, 402)은 처음의 위치보다 일정각도만큼 회전하여 고정된다. 이 때, 상기 상판(102, 402)에 고정된 제1, 2 반사판(104, 404)도 상기 상판(102, 402)에 고정된 위치와 동일한 크기의 변위가 발생하므로 상기 제1, 2 반사판(104, 404)도 처음의 위치보다 일정각도만큼 회전하여 고정된다.
먼저, 제1 센서부(105)의 경우에는, 상기 제1 센서부(105)와 상기 제1 반사판(104)의 수직축이 상기 상판(102)의 원주방향으로 배치되므로 상기 제1 반사판(104)의 회전변위는 상기 제1 센서부(105)와 상기 제1 반사판(104)사이의 거리(d1)를 변경하게 된다. 따라서, 상기 제1 센서부(105)는 상기 제1 반사판(104)과의 거리(d1)를 감지하고, 상기 제1 센서부(105)에서의 출력은 상기 제1 센서부(105)와 상기 제1 반사판(104) 사이의 거리(d1)에 따른 전기신호가 발생하게 된다. 상기 제1 센서부(105)에서 출력되는 전기신호를 변환하면 상기 상기 제1 센서부(105)와 상기 제1 반사판(104) 사이의 거리(d1)를 계산할 수 있고, 상기 거리(d1)로부터 외부에서 입력되는 토크의 크기를 계산할 수 있다. 또한, 상기 거리(d1)의 증감으로부터 외부에서 입력되는 토크의 방향을 쉽게 계산할 수도 있게 된다.
상기 제1 센서부(105) 및 상기 제1 반사판(104)의 좌, 우 순서와 상판(102), 하판(101)과의 결합은 서로 변경될 수 있음은 자명하다.
한편, 제2 센서부(405)의 경우에는, 상기 제2 센서부(405)와 상기 제2 반사판(404)의 수직축이 상기 상판(402)의 반경방향으로 배치되므로 상기 제2 반사판(404)의 회전변위는 상기 제2 센서부(405)와 상기 제2 반사판(404)의 투영 면적(projected area)을 변경하게 된다. 따라서, 상기 제2 센서부(405)는 상기 제2 반사판(404)과의 투영면적을 감지하고, 상기 제2 센서부(405)에서의 출력은 상기 제2 센서부(405)와 상기 제2 반사판(404)의 투영 면적에 비례하는 전기신호가 발생하게 된다. 상기 제2 센서부(405)에서 출력되는 전기신호를 변환하면 상기 상기 제2 센서부(405)와 상기 제2 반사판(404)의 투영 면적을 계산할 수 있고, 상기 투영면적으로부터 외부에서 입력되는 토크의 크기를 계산할 수 있다.
상기 제2 센서부(405) 및 상기 제2 반사판(404)의 좌, 우 순서와 상판(402), 하판(401)과의 결합은 서로 변경될 수 있음은 자명하다.
하지만, 상기 제2 센서부(405)에서 출력되는 전기신호만으로는 토크의 방향을 알아낼 수는 없다. 상기 제2 반사판(404)이 시계방향 혹은 반시계방향으로 동일한 크기만큼 회전하면 상기 제2 센서부(405)에서는 동일한 값의 전기신호를 발생시키기 때문이다.
따라서, 본원 발명의 일 실시예에서는 상기 제2 반사판(404)은 상판(402)의 원주 방향에 직교하는 방향으로 2개의 영역으로 분할되고, 일 영역(602)은 입사광을 거의 모두 반사시키는 흰색 반사판으로, 타 영역(601)은 입사광을 거의 모두 흡수시키는 검은색 반사판으로 형성될 수 있다. 이와 같이 제2 반사판(404)을 구성하면, 시계방향 혹은 반시계방향에 대한 값의 차이가 분명하게 나타나므로 외부 토크입력에 대한 방향을 쉽게 찾을 수 있게 된다.
도 6a 및 6b는 조절부재와 연결된 반사판의 상세 사시도이다.
도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제1 조절부재(610) 및 제2 조절부재(620)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 광센서를 이용한 토크 센서는, 상기 제1 반사판(104)을 상기 상판(102)의 하면에 결합시키되, 상기 제1 반사판(104)과 상기 제1 센서부(105)와의 초기 거리를 조절하는 제1 조절부재(610)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 조절부재(610)는 제1 반사판(104)을 부착하는 몸체(611) 및 상기 제1 반사판(104)이 부착된 몸체(611)를 원주방향으로 슬라이드 이동하여 제1 센서부(105)와의 거리를 조절하는 제1 가이드(612)를 포함한다. 상기 제1 가이드(612)와 상기 몸체(611) 사이에 이동 및 고정하는 방식은 다양한 방식이 적용될 수 있으나, 본원 발명에 따른 일 실시예에서는 상기 제1 가이드(612)는 외면에 나사산이 형성된 축의 형상으로 구비되고, 상기 몸체(611)에는 상기 제1 가이드(612)의 나사산에 대응되는 나사산이 형성된 가진 관통홀(613)이 구비되어, 상기 제1 가이드(612)가 상기 관통홀(613)을 관통하게 결합됨으로써 상기 제1 가이드(612)가 회전하면 상기 제1 가이드(612)에 형성된 나사산의 리드(lead)만큼 상기 몸체(611)는 평행이동하게 된다. 상기 제1 가이드(612)를 회전시키는 수단은 통상의 회전다이얼(미도시)과 같은 수단을 구비할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 광센서를 이용한 토크 센서는, 상기 제2 반사판(404)을 상기 상판(402)의 하면에 결합시키되, 상기 제2 반사판(404)과 상기 제2 센서부(405)와의 초기 면적을 조절하는 제2 조절부재(620)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 반사판(404)이 상기 흰색 반사판(602) 및 검은색 반사판(601)의 두 개의 영역으로 나뉘는 경우, 상기 제2 조절부재(620)는 상기 제2 반사판(404)을 상기 상판(402)의 하면에 결합시키되, 상기 제2 센서부(405)에 투영되는 상기 흰색 반사판의 초기 면적을 조절할 수 있다.
상기 제2 조절부재(620)는 제2 반사판(404)을 부착하는 몸체(621) 및 상기 제2 반사판(404)이 부착된 몸체(621)의 위치를 조절하여 상기 제2 반사판(404)이 제2 센서부(405)에 투영되는 초기 면적을 조절하는 제2 가이드(622)를 포함한다.
즉, 상기 조절부재(610, 620) 통해 상기 반사판(104, 404)과 상기 센서부(105,405)의 초기 상태(초기값)을 조절할 수 있다.
일반적으로, 센서마다 동작구간 및 그 특성이 모두 다르다. 예를 들어, 특정 센서의 선형 특성을 가진 동작구간에서 동작시켜야 하는 경우에, 상기 조절부재(610, 620)의 조절을 통해 상기 특정 센서를 동작시키기 위한 초기값을 설정할 수 있다.
그러므로, 토크 센서의 출력 신호로부터 토크 정보를 얻기 위해서는 상기 조절부재(610, 620)의 위치에 따라서 정확한 토크 정보에 대한 룩업테이블 또는 정확한 토크 정보로 출력하기 위해 보정해주어야할 값에 대한 룩업테이블, 또는 조절부재(610, 620)의 위치에 따른 센서 출력값과 정확한 토크 정보 사이의 함수관계식이 필요하다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 상판의 단면도이다.
본원 발명의 토크센서는 상판(102, 402)과 변형부(103, 403)의 비틀림 변형값으로부터 입력되는 토크의 크기를 추산하는 방식이므로 재질의 항복응력(yield stress) 범위내에서는 상기 상판(102, 402)과 변형부(103, 403)의 변형량이 클수록 측정데이터의 정확도는 더 향상될 수 있다. 변형부(103, 403)의 경우에는 토크에 의한 변형이 발생할 뿐만 아니라 다양한 종류의 외력을 지지해야 하므로 인장강도, 압축강도, 좌굴강도가 모두 갖추어져야 하므로 변형부(103, 403)의 변위를 크게 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 본원 발명의 다른 일 실시예에서는 상판의 두께를 변경하여 비틀림변위를 증가시키는 구성을 구비한다.
기본적으로 비틀림변위를 증가시키기 위해서는 도 7a에 나타난 바와 같이 상판(701)에는 일정한 크기의 깊이를 가지고 상판과 중심축이 동일한 홈(702)을 형성할 수 있다. 홈(702)이 형성된 부분에서는 비틀림 강성이 줄어들게 되어 비틀림 변형량이 증가하게 된다.
한편, 상판에 가해지는 토크의 크기가 일정하면, 중심에서 거리가 r만큼 떨어진 곳에서의 전단응력(shear stress)은 다음 수식에서 나타난 바와 같이 중심으로부터의 거리(r)의 제곱에 반비례하게 된다.
수학식 1
Figure PCTKR2016002449-appb-I000001
(여기서, τ는 전단응력, r은 중심에서의 거리, t는 중심에서의 거리가 r에서의 두께, T는 입력토크)
도 7a와 같이 상판에 일정한 크기의 깊이를 가지는 홈(702)을 형성하는 경우에는 중심으로 갈수록 전단응력이 증가하게 되어 홈의 깊이를 크게 할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 상판의 두께를 다음 수식과 같이 중심에서의 거리가 증가할수록 두께가 감소하도록 변경하면 상판의 비틀림 변위를 최대로 이끌어 낼 수 있게 된다.
수학식 2
Figure PCTKR2016002449-appb-I000002
(여기서, τY는 전단항복응력, r은 중심에서의 거리, t는 중심에서의 거리가 r에서의 두께, T는 입력토크)
상기 수식에 의하여 중심에서의 거리가 증가할 수록 두께가 감소하는 홈을 구비한 구성은 도 7b에서 나타난 바와 같다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광센서를 이용한 토크 센서는, 하부에 고정된 하판(801), 외부의 토크를 전달하는 입력장치에 결합되며, 상기 토크에 의하여 비틀림 탄성 변형이 발생하는 상판(802), 상기 상판(802)과 상기 하판(801) 사이에 일체로 형성되며, 상기 상판(802)을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 발생하는 변형부(803), 상기 상판(802)에 결합되어 상기 상판(802)의 하면에서 수직 방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판(802)의 원주방향으로 배치되는 반사판(804), 및 상기 하판(801)에 결합되어 상기 반사판(804)과의 거리(d1)에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 센서부(805)를 포함한다.
여기서, 상기 상판(802)에는 중심에서 동일한 거리에 위치하고 직경이 동일한 다수의 홀(806)이 형성되어 있다. 이는 상기 상판(802)의 비틀림 강도를 약하게 하여 상판(802)에서의 비틀림 변형을 크게 하는 구성이다. 상판(802)에 형성된 다수의 홀(806)은 상기 홀(806)이 형성된 크기만큼 비틀림에 대응하는 유효면적이 줄어들게 되므로 상기 상판의 비틀림 강도는 저하된다.
상기 수학식1에서 나타난 바와 같이 상판에서의 전단응력은 중심에서의 거리가 작을수록 크게 발생하므로 상기 홀(806)은 중심에서 일정거리만큼 떨어진 곳에 설치되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 중심에서 일정거리 (0.5R ~ 0.8R 정도) 떨어진 곳에 직경 0.1R ~ 0.2R을 갖는 다수개(예를 들어, 3개 이상)의 홀을 구비할 수 있다. 또한, 상판(802)에는 중심에서 일정거리 만큼 떨어진 곳에 다수개의 부채꼴 모양의 홀을 구비하여 상판(802)이 바퀴(wheel) 형상을 가질 수도 있다.
나머지 구성요소는 도 1 및 도 4에서 설명한 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 토크 센서를 포함하는 토크 측정 장치의 구성도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 토크 센서를 포함하는 토크 측정 장치는, 지금까지 설명했던 토크 센서(901)로부터 출력되는 전기적 신호를 토크 정보로 변환시켜주는 변환부(902)를 더 포함한다.
도 6a 및 6b에서 설명한 바와 같이, 상기 변환부(902)는 상기 조절부재(610, 620)의 위치, 센서부(105, 405, 805)에서 센싱하여 출력되는 전기적 신호에 따라서 정확한 토크 정보에 대한 룩업테이블 또는 정확한 토크 정보로 출력하기 위해 보정해주어야할 룩업테이블, 또는 센서 출력값과 정확한 토크 정보 사이의 함수관계식을 저장하고 있어야 한다.
즉, 본 발명에 따른 또 다른 토크 센서는, 복수개의 센서를 이용하여 외력의 크기를 감지한 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다. 복수개의 센서를 사용한 토크 센서는, 필요에 따라서 여러 위치에 구비되는 다수의 제1 센서부(105)를 포함할 수도 있고, 여러 위치에 구비되는 다수의 제 2센서부(405)를 포함할 수도 있다.
제1 센서부(105)는 제1 반사판과의 거리를 측정하고, 제2 센서부(405)는 반사체로부터 반사되는 면적을 측정하게 되므로, 복수개의 제1 센서부(105) 및 복수개의 제2 센서부(405)의 측정값을 조합하면 보다 정확한 토크 정보를 얻을 수 있다.
또한, 토크 센서의 출력 신호로부터 토크 정보를 얻기 위해서는, 각 센서부에 대하여, 상기 조절부재의 위치, 센싱되어 출력되는 전기적 신호에 따라서 정확한 토크 정보에 대한 룩업테이블 또는 정확한 토크 정보로 출력하기 위해 보정해주어야할 값에 대한 룩업테이블 또는 센서 출력값과 정확한 토크 정보 사이의 함수관계식을 저장하고 있어야 한다.
도 10 및 11은 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 의한 전자 시스템들(3300, 3400)을 개념적으로 도시한 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예들에 의한 전자 시스템(3300)은 바디(3310), 디스플레이 유닛(3360), 및 외부 장치(3370)를 포함할 수 있다.
바디(3310)는 마이크로 프로세서 유닛(Micro Processor Unit; 3320), 파워 공급부(Power Supply; 3330), 기능 유닛(Function Unit; 3340), 및/또는 디스플레이 컨트롤 유닛(Display Control Unit; 3350)을 포함할 수 있다.
바디(3310)는 인쇄 회로기판(PCB) 등을 갖는 시스템 보드 또는 마더 보드(Mother Board), 및/또는 케이스(case)를 포함할 수 있다. 마이크로 프로세서 유닛(3320), 파워 공급부(3330), 기능 유닛(3340), 및 디스플레이 컨트롤 유닛(3350)은 바디(3310)의 상면 또는 내부에 실장 또는 배치될 수 있다. 바디(3310)의 상면 혹은 바디(3310)의 내/외부에 디스플레이 유닛(3360)이 배치될 수 있다.
디스플레이 유닛(3360)은 디스플레이 컨트롤 유닛(3350)에 의해 프로세싱된 이미지를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 유닛(3360)은 LCD (liquid crystal display), AMOLED(active matrix organic light emitting diodes), 또는 다양한 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 디스플레이 유닛(3360)은 터치 스크린을 포함할 수 있다. 따라서, 디스플레이 유닛(3360)은 입출력 기능을 가질 수 있다.
파워 공급부(3330)는 전류 또는 전압을 마이크로 프로세서 유닛(3320), 기능 유닛(3340), 디스플레이 컨트롤 유닛(3350) 등으로 공급할 수 있다. 파워 공급부(3330)는 충전 배터리, 건전지용 소켓, 또는 전압/전류 변환기를 포함할 수 있다.
마이크로 프로세서 유닛(3320)은 파워 공급부(3330)로부터 전압을 공급받아 기능 유닛(3340)과 디스플레이 유닛(3360)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 프로세서 유닛(3320)은 CPU 또는 AP (application processor)를 포함할 수 있다.
기능 유닛(3340)은 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 기능 유닛(3340)은 터치 패드, 터치 스크린, 휘발성/비휘발성 메모리, 메모리 카드 컨트롤러, 카메라, 라이트, 음성 및 동영상 재생 프로세서, 무선 송수신 안테나, 스피커, 마이크, USB 포트, 기타 다양한 기능을 가진 유닛을 포함할 수 있다.
마이크로 프로세서 유닛(3320) 또는 기능 유닛(3340)은 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 토크 센서 또는 토크 측정 장치의 출력 신호를 입력 받을 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전자 시스템(3400)은 버스(3420)를 통하여 데이터 통신을 수행하는 마이크로프로세서(3414), 메모리 시스템(3412) 및 유저 인터페이스(3418)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(3414)는 CPU 또는 AP를 포함할 수 있다. 전자 시스템(3400)은 마이크로프로세서(3414)와 직접적으로 통신하는 램(3416)을 더 포함할 수 있다.
마이크로프로세서(3414) 및/또는 램(3416)은 단일 패키지 내에 조립될 수 있다. 유저 인터페이스(3418)는 전자 시스템(3400)으로 정보를 입력하거나 또는 전자 시스템(3400)으로부터 정보를 출력하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유저 인터페이스(3418)는 터치 패드, 터치 스크린, 키보드, 마우스, 스캐너, 음성 디텍터, CRT(cathode ray tube) 모니터, LCD, AMOLED, PDP(plasma display panel), 프린터, 라이트, 또는 기타 다양한 입출력 장치들을 포함할 수 있다.
메모리 시스템(3412)은 마이크로프로세서(3414) 동작용 코드들, 마이크로프로세서(3414)에 의해 처리된 데이터, 또는 외부 입력 데이터를 저장할 수 있다. 메모리 시스템(3412)은 메모리 컨트롤러, 하드 디스크, 또는 SSD(solid state drive)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(3414), 램(3416), 및/또는 메모리 시스템은 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 토크 센서 또는 토크 측정 장치의 출력 신호를 입력 받을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 광센서를 이용한 토크 센서에 있어서,
    하부가 고정되는 하판;
    외부 토크 입력에 결합되며, 상기 하판에 대하여 비틀림 탄성 변형이 발생하는 상판;
    상기 상판과 상기 하판 사이에 일체로 형성되며, 상기 상판을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 발생하는 변형부;
    상기 상판에 결합되어 상기 상판의 하면에서 수직 방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판의 원주 방향으로 배치되는 제1 반사판; 및
    상기 하판에 결합되어 상기 제1 반사판과의 거리에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제1 센서부
    를 포함하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 센서부는,
    상기 제1 반사판과 마주하는 면이 길이 방향으로 단차를 가지며, 상기 제1 반사판과 마주하는 면의 중앙부에 상기 제1 반사판의 반사면에 수직방향으로 홈이 형성된 제1 센서보호부재;
    발광부 및 수광부를 구비하며, 상기 제1 센서보호부재의 홈에 삽입되어 결합되는 제1 센서;
    상기 제1 센서보호부재의 단차가 낮은 면에 부착되어 상기 제1 센서의 일부를 덮는 제1 덮개부재; 및
    상기 제1 덮개부재를 상기 제1 센서보호부재와 체결하는 제1 연결부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반사판을 상기 상판의 하면에 결합시키되, 상기 제1 반사판과 상기 제1 센서부와의 초기 거리를 조절하는 제1 조절부재
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 상판에 결합되어, 상기 상판의 하면에서 수직방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판의 반경 방향으로 배치되는 제2 반사판; 및
    상기 하판에 결합되어 상기 제2 반사판이 투영되는 면적에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제2 센서부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 반사판은,
    상기 상판의 원주 방향에 직교하는 방향으로 2개의 영역으로 분할되고, 일 영역은 흰색 반사판이, 타 영역은 검은색 반사판이 구비되는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 센서부는,
    상기 제2 반사판과 마주하는 면이 길이 방향으로 단차를 가지며, 상기 제1 반사판과 마주하는 면의 중앙부에 상기 제2 반사판에 대하여 수직방향으로 홈이 형성된 제2 센서보호부재;
    발광부 및 수광부를 구비하며, 상기 제2 센서보호부재의 홈에 삽입되어 결합되는 제2 센서;
    상기 제2 센서보호부재의 단차가 낮은 면에 부착되어 상기 제2 센서의 일부를 덮는 제2 덮개부재; 및
    상기 제2 덮개부재를 상기 제2 센서보호부재와 체결하는 제2 연결부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 반사판을 상기 상판의 하면에 결합시키되, 상기 제2 센서부에 투영되는 상기 제2 반사판의 흰색 반사판의 초기 면적을 조절하는 제2 조절부재
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 상판은,
    중심에서 동일한 거리에서는 동일한 깊이를 가지는 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 홈은,
    상기 상판의 중심에서 멀어질수록 깊이가 깊어지는 1차 직선 하면 또는 2차 곡선 하면을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 상판은,
    중심에서 동일한 거리에 위치하고 직경이 동일한 다수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 센서.
  11. 광센서를 이용한 토크 측정 장치는,
    하부가 고정되는 하판;
    외부 토크를 전달하는 입력장치에 결합되며, 상기 하판에 대하여 비틀림 탄성 변형이 발생하는 상판;
    상기 상판과 상기 하판 사이에 일체로 형성되며, 상기 상판을 통해 전달되는 토크에 의해 비틀림 탄성 변형이 발생하는 변형부;
    상기 상판에 결합되어 상기 상판의 하면에서 수직 방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판의 원주방향으로 배치되는 제1 반사판;
    상기 하판에 결합되어 상기 제1 반사판과의 거리에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제1 센서부;
    상기 제1 반사판을 상기 상판의 하면에 결합시키되, 상기 제1 반사판과 상기 제1 센서부와의 초기 거리를 조절하는 제1 조절부재; 및
    상기 제1 센서부로부터 전달받은 상기 전기 신호를 토크 정보로 변환시켜주는 변환부
    를 포함하는 광센서를 이용한 토크 측정 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 제1 조절부재의 위치, 상기 제1 센서부로부터 센싱되어 출력되는 전기적 신호에 따라서 정확한 토크 정보에 대한 룩업테이블, 정확한 토크 정보로 출력하기 위해 보정해주어야할 값에 대한 룩업테이블 또는 상기 제1 센서부의 출력값과 정확한 토크 정보 사이의 함수관계식을 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 측정 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 상판에 돌출되어 결합되어, 상기 상판의 하면에 대하여 수직방향으로 돌출되고, 반사면의 수직축이 상기 상판의 반경방향으로 배치되는 제2 반사판;
    상기 하판에 결합되어 상기 제2 반사판이 투영되는 면적에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 제2 센서부; 및
    상기 제2 반사판을 상기 상판의 하면에 결합시키되, 상기 제2 센서부에 투영되는 상기 제2 반사판의 초기 면적을 조절하는 제2 조절부재
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 측정 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 제2 조절부재의 위치, 상기 제2 센서부로부터 센싱되어 출력되는 전기적 신호에 따라서 정확한 토크 정보에 대한 룩업테이블, 정확한 토크 정보로 출력하기 위해 보정해주어야할 값에 대한 룩업테이블 또는 상기 제2 센서부의 출력값과 정확한 토크 정보 사이의 함수관계식을 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 광센서를 이용한 토크 측정 장치.
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